基于fpga的多频电疗仪的设计

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1、基于FPGA的多频电疗仪的设计　　(内蒙古商贸职业学院，内蒙古呼和浩特010000)　　摘要：本文介绍了利用NCOIP核和DSPBuilder实现中频理疗信号发生器的详细方法及其原理。在MatlabSimulink中设计了伪随机序列产生模块和正弦信号发生模块，并转换到QuartusII中进行了仿真分析，最后下载到FPGA器件上测试。观察示波器的波形可知该设计满足要求。　　关键词：中频理疗；NCO；DSPBuilder；FPGA　　中图分类号：TN752文献标识码：A文章编号：1007—6921(XX)01—0091—02　　在医学中，理疗是常用的治疗方法。

2、由于治疗过程中无痛苦、对某些疾病疗效显著，应用较广。研究表明，当以某个固定的频率作用于人体时，随着时间的推移人体会对此频率产生适应性，对此频率刺激的反应逐渐减弱，导致疗效的降低。所以理疗中刺激频率的变化有着重要意义，因此输出频率为随机频率就有效避免了人体的适应性，取得更好的治疗效果。　　对于中频理疗信号发生器的设计，传统的方法是采用单片机和数字电路实现，虽然控制灵活但设计复杂，集成度低，体积较大，只适合在医院等专业机构使用，极大地限制了电疗仪的普及。随着EDA技术的发展，在FPGA/CPLD芯片上实现中频理疗信号发生器成为可能。　　1基本原理　　在医学上，按

3、输出频率的大小划分，大致可分为三种，分别为低频、中频和高频。此次设计产生的信号频率范围为1K～10KHz之间，属于中频范围。常用于治疗各种软组织损伤、肩周　　炎、关节痛、肌肉痛、神经痛以及胃下垂等。　　中频理疗信号发生器的产生主要分为两个模块，包括多路并行伪随机序列发生器模块和正弦信号发生器模块，图1为中频理疗信号发生器的原理框图。用多路并行伪随机序列控制NCO的频率控制字，从而产生一定范围内的随机正弦波。DA转换器用于正弦波的D/A转换，低通滤波器用于滤出正弦波中的杂散噪声信号，最后通过示波器观察中频理疗信号的波形。　　1.1伪随机序列发生器模块的实

4、现　　虽然随机数具有一定的统计学规律，但它是抽样值不能事先确定的数［1］。实际中产生的随机数不是绝对随机数，是相对的，称为“伪随机数”。此设计采用m序列作为伪随机序列，m序列是一种最常用的伪随机序列，它是由带线性反馈的移位寄存器(LinearFeedbackShiftRegisters)产生的，并具有最长的周期。如图2所示。　　其特征值多项式可表示为：f(x)=∑[DD(;M]n[]i=0[DD)]Cixi。　　根据以上条件可以算出一系列满足条件的系数，在此设计中使用：f(x)=1+x3+x20；f(x)=1+x7+x18；f(x)=1+x3

5、+x17；f(x)=1+x+x15；f(x)=1+x2+x11；f(x)=1+x3+x10，相互独立的6路伪随机序列。利用DSPBuilder构建随机序列有着设计简单，便于仿真调试的优点。部分原理图模型如图3所示，其中利用Z-1、Z-2、Z-3、Z-9、Z-14、Z-17等延时单元作为移位寄存器，用异或(XOR)完成模二运算，输出为Out。通过DSPBuilder将其转化为VHDL语言，使之成为多路伪随机序列发生器模块。　　在Simulink中仿真其中一列f(x)=1+x3+x10序列的波形如图4所示，可以看出波形频率是随机变化的。　　1.2正弦信号发生器模块

6、的实现　　采用NCO(NumericallyControlledOscillators)作为正弦信号发生器表现了基于EDA技术特有的IP应用技术［2］。IP核，或称Megacore是Altera公司具有知识产权保护的megacore函数，只有在获得许可和购买的前提下才可以使用。基于QuartusII和DSPBuilder的IP核有多种，如FIR数字滤波器，FFT离散信号快速傅立叶变换器，NCO数控振荡器IP核等。本设计采用的NCOIP核，与LPM(libraryofparameterizedmodules)宏模块类似，用户可以设置其功能参数。此次设计中采用的NC

7、OIP核模块如图5所示。　　其中phi_inc_i是频率控制字的输入，本设计中采用的累加器精度即位宽为20位。累加器的宽度决定采样点的数量从而决定了输出波形的频率分辨率。本设计中输出波形的频率分辨率为△f=fmin=fc／2n，其中fc为输入时钟频率，n为累加器的宽度。输出频率为fo=fc×M／2n，M为phi_inc_i的输入值。fsin_o是正弦波输出端口，其位宽是10位，即幅度精度为210。clk是输入时钟；reset为复位键；clken是时钟使能；data_ready是输出同步信号，当有正弦信号输出时为高电平。NCOIP核在Quar-tusII和DSPBu

8、ilder